[发明专利]一种电子束增熔丝材制造装置及方法

说明书

一种电子束增熔丝材制造装置及方法，该装置进行熔丝增材时，通过控制系统控制Z向运动机构A、Z向运动机构B、Y向运动机构和X向工作台之间的移动，以及送丝机构的送丝速度，并调节冷阴极电子枪A和冷阴极电子枪B的焦点位置，使丝材熔化形成的熔滴以“搭桥”过渡方式沉积到金属基板上进行零件成形。本发明通过两个能形成圆形束斑的冷阴极电子枪倾斜一定角度对称安装，以及在两个圆形束斑交汇处将丝材垂直送进，使得整个加工过程无需丝束对中装置，从而大幅提高成形质量；采用冷阴极电子枪使得电子枪的阴极寿命最高达到数百小时以上，能够在恶劣的真空环境下长期稳定工作，且冷阴极电子枪结构简洁，体积小，从而降低设备制造成本。

技术领域

本发明涉及增熔丝材制造技术领域，特别是涉及一种电子束增熔丝材制造装置及方法。

背景技术

金属增材制造技术是一种利用热源熔化金属材料按照预定轨迹成形快速加工制造零件的一种技术，其按照熔化材料的初始状态可分为粉末类和丝材类，粉末类增材制造技术有激光同轴送粉、电子束选区熔化、激光选区熔化等，丝材类增材制造技术有激光熔丝增材制造、电弧熔丝增材制造、电子束熔丝增材制造等。其中，电子束熔丝增材制造技术是在真空环境下进行零件成形，真空环境为钛合金等高附加值零件的快速制造提供良好的环境，采用电子束熔丝增材制造的零部件已经在航空航天及民用工业领域得到了应用。

当前，国内外研究机构所研制的电子束熔丝增材制造设备几乎都是基于热阴极电子束源的室外定枪或室内动枪的轴侧送丝技术。其中，热阴极电子束源的电子枪结构复杂，操作技术难度较大；阴极寿命短，影响加工效率和成形质量；热阴极电子束源的电子枪作为室内动枪使用，电子枪自身结构体积较大，且需要多芯高压电缆传输灯丝加热电流、偏压等电压、电流量，多芯高压电缆内部的导体较多，绝缘层厚度大等因素导致电缆直径较大，弯曲半径大，极大影响了真空室内零件有效加工范围。而轴侧送丝需要十字滑台机构实现丝束对中，对操作人员技术能力要求较高；十字滑台机构的安装位置会影响熔丝成形有效加工范围；且丝材从导丝嘴到束斑熔点的距离较大，由于丝材盘绕过程产生的应力很难快速释放，容易丝材熔丝变形，使得成形精度很难得到保证。此外，热阴极电枪都需要独立真空系统，保障束源段的真空度足够高，但熔丝增材制造过程中，金属蒸气较大，导致真空环境十分恶劣，极易引起电子枪放电，从而影响成形质量。

因此，发明人提供了一种电子束增熔丝材制造装置及方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种电子束增熔丝材制造装置及方法，在一个真空室内通过两个能形成圆形束斑的冷阴极电子枪倾斜一定角度对称安装，同时在两个圆形束斑交汇处将丝材垂直送进，整个加工过程无需丝束对中装置，且冷阴极电子枪的使用寿命较长，从而降低设备制造成本。

第一方面，本发明的实施例提出了一种电子束增熔丝材制造装置，该装置包括真空室，以及设于所述真空室外部的控制系统、冷却系统、真空系统、气流控制系统、高压电源A和高压电源B，所述真空室内设有平行安装的Z向运动机构A和Z向运动机构B，两端分别安装在Z向运动机构A和Z向运动机构B上的Y向运动机构，设于所述Y向运动机构上的Y向动枪熔丝单元，以及设于所述Y向动枪熔丝单元下方的X向工作台，所述X向工作台上设有金属基板；

所述Y向动枪熔丝单元包括设于所述Y向运动机构上的固定滑板，所述固定滑板上设有导丝管，以及以导丝管为中心并呈“V”字形安装的冷阴极电子枪A和冷阴极电子枪B，所述导丝管的一端伸出的丝材、另一端连接有送丝机构，所述冷阴极电子枪A和冷阴极电子枪B分别输出束流相同的电子束交汇于一点，当进行熔丝增材时，通过所述控制系统控制所述Z向运动机构A、Z向运动机构B、Y向运动机构和X向工作台之间的移动，以及所述送丝机构的送丝速度，并调节所述冷阴极电子枪A和冷阴极电子枪B的焦点位置，使丝材熔化形成的熔滴以“搭桥”过渡方式沉积到所述金属基板上进行零件成形。

进一步地，所述冷阴极电子枪A和冷阴极电子枪B中的高压电缆均为单芯结构。